JP2009144242A - Method for improving uniformity and adhesiveness of low-resistivity tungsten film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、タングステン膜を調製する方法に関する。本発明の実施形態は、電気抵抗率が低く、均一性および接着性共に優れたタングステン薄膜を必要とする集積回路用途に特に役立つ。 The present invention relates to a method for preparing a tungsten film. Embodiments of the present invention are particularly useful for integrated circuit applications that require tungsten thin films with low electrical resistivity and excellent uniformity and adhesion.
化学蒸着法(CVD)を用いてのタングステン膜の堆積は、数多くの半導体製造プロセスの中で必要不可欠な部分である。タングステン膜は、シリコン基板における水平の内部接続、隣接する金属層間ビア、および、第1金属層とデバイスとの間のコンタクトとして形成される低抵抗率の電気的接続として用いられうる。従来のタングステン堆積プロセスでは、ウェハは、真空チャンバ内でプロセス温度まで加熱され、シードまたは核生成層となるタングステン膜の非常に薄い部分が堆積される。その後、タングステン膜の残りの部分(バルク層)が核生成層上に形成される。従来、タングステンバルク層は、六フッ化タングステン(WF6)を水素(H2)で還元することにより成長中のタングステン層上に形成される。タングステンのバルク層は、一般的に、核生成層より速く堆積するが、まず核生成層を形成しなければ、確実に形成することは難しい。 The deposition of tungsten films using chemical vapor deposition (CVD) is an integral part of many semiconductor manufacturing processes. The tungsten film can be used as a horizontal interconnect in the silicon substrate, adjacent metal interlayer vias, and a low resistivity electrical connection formed as a contact between the first metal layer and the device. In a conventional tungsten deposition process, the wafer is heated to the process temperature in a vacuum chamber, and a very thin portion of the tungsten film that becomes the seed or nucleation layer is deposited. Thereafter, the remaining portion (bulk layer) of the tungsten film is formed on the nucleation layer. Conventionally, a tungsten bulk layer is formed on a growing tungsten layer by reducing tungsten hexafluoride (WF6) with hydrogen (H2). A tungsten bulk layer is generally deposited faster than a nucleation layer, but it is difficult to reliably form without first forming a nucleation layer.
技術の進歩は、タングステンの電気的接続をますます薄くしつつ、非常に低い抵抗率を維持することを要求する。それゆえ、タングステン堆積プロセスによって、超低抵抗率を有するタングステン膜を実現することが重要である。ウェハのサイズを大きくしていきながら歩留まりを向上させるためには、ウェハ全体の被膜特性の均一性も重要である。 Advances in technology require maintaining very low resistivity while making tungsten electrical connections increasingly thinner. Therefore, it is important to realize a tungsten film having an ultra-low resistivity by a tungsten deposition process. In order to improve the yield while increasing the size of the wafer, the uniformity of the coating properties of the entire wafer is also important.
均一性に優れ、下位層への接着性が良好な低抵抗率タングステン膜を形成する方法が提供される。低抵抗率のタングステン膜は、タングステンのバルク層を堆積させる前に、タングステンの核生成層を還元剤にさらすことにより形成される。例えば、単一の還元剤パルスに代わり、多数の連続した還元剤パルスにタングステンの核生成層をさらすことにより、均一性および接着性共に良好であり、抵抗率が低いタングステン膜が形成される。 Provided is a method for forming a low resistivity tungsten film having excellent uniformity and good adhesion to a lower layer. The low resistivity tungsten film is formed by exposing the tungsten nucleation layer to a reducing agent prior to depositing the tungsten bulk layer. For example, by exposing the tungsten nucleation layer to a number of successive reducing agent pulses instead of a single reducing agent pulse, a tungsten film having good uniformity and adhesion and low resistivity is formed.
本発明の一側面では、タングステンのバルク層を堆積させる前に、タングステンの核生成層を還元剤のパルスにさらすことにより、タングステン膜が形成される。タングステン膜を堆積させる工程は、(a)反応チャンバ内に基板を配置する工程と、(b)基板上にタングステンの核生成層を堆積させる工程と、(c)パルス間のパルス動作なしに複数の還元剤パルスに核生成層をさらす工程と、(d)タングステンの核生成層上にタングステンのバルク層を堆積させてタングステン膜を形成する工程と、を有する。 In one aspect of the invention, the tungsten film is formed by exposing the tungsten nucleation layer to a pulse of reducing agent prior to depositing the tungsten bulk layer. The steps of depositing the tungsten film include (a) a step of placing a substrate in the reaction chamber, (b) a step of depositing a nucleation layer of tungsten on the substrate, and (c) a plurality of steps without pulse operation between pulses. And (d) depositing a tungsten bulk layer on the tungsten nucleation layer to form a tungsten film.
上記順序に従う方法のいくつかの実施形態では、還元剤は、ホウ素含有還元剤、であり、また、いくつかの実施形態では、還元剤は、ジボランである。いくつかの実施形態では、工程(c)における還元剤パルスの数は2から8である。さらなる実施形態では、基板は、還元剤パルスにさらされる前に、約375℃から415℃まで加熱され、当該温度を安定させる。いくつかの実施形態では、タングステンの核生成層上にタングステンのバルク層を堆積させる前に、基板は、約375℃から415℃まで加熱される。いくつかの実施形態では、タングステン核生成層上にタングステンバルク層を堆積させる前に、核生成層は、タングステン含有前駆物質にさらされる。 In some embodiments of the method according to the above sequence, the reducing agent is a boron-containing reducing agent, and in some embodiments, the reducing agent is diborane. In some embodiments, the number of reducing agent pulses in step (c) is 2 to 8. In a further embodiment, the substrate is heated from about 375 ° C. to 415 ° C. before it is exposed to the reducing agent pulse to stabilize the temperature. In some embodiments, the substrate is heated from about 375 ° C. to 415 ° C. prior to depositing the tungsten bulk layer on the tungsten nucleation layer. In some embodiments, the nucleation layer is exposed to a tungsten-containing precursor prior to depositing a tungsten bulk layer on the tungsten nucleation layer.
タングステン膜形成プロセスのさまざまな実施形態によれば、工程(c)における複数の還元剤パルスの各パルスは、パルス時間を有し、当該パルス時間は、0.5から5秒である。パルス時間は、還元剤パルス間で異なりうる。いくつかの実施形態では、還元剤パルス間のインターバル時間は、約2から5秒である。還元剤パルス間のインターバル時間は、そのインターバルによって異なりうる。いくつかの実施形態では、還元剤パルス間のインターバル時間は、後続のパルスであるほど短い。さらなる実施形態では、複数の還元剤パルスの各パルスは、流量を有し、当該流量は、約100から500sccmmである。流量も還元剤パルス間で異なりうる。 According to various embodiments of the tungsten film formation process, each pulse of the plurality of reducing agent pulses in step (c) has a pulse time, which is 0.5 to 5 seconds. The pulse time can vary between reducing agent pulses. In some embodiments, the interval time between reducing agent pulses is about 2 to 5 seconds. The interval time between reducing agent pulses may vary depending on the interval. In some embodiments, the interval time between reducing agent pulses is shorter for subsequent pulses. In a further embodiment, each pulse of the plurality of reducing agent pulses has a flow rate that is between about 100 and 500 sccm. The flow rate can also vary between reducing agent pulses.
上記方法のいくつかの実施形態では、基板上に形成された500オングストロームの厚さのタングステン膜は、シート抵抗の不均一性が5%より小さい、および/または、抵抗率が12マイクロオームセンチメートル未満である。 In some embodiments of the above method, a 500 Å thick tungsten film formed on the substrate has a sheet resistance non-uniformity of less than 5% and / or a resistivity of 12 micro ohm centimeters. Is less than.
他の実施形態では、タングステン膜堆積プロセスは、(a)反応チャンバ内に基板を配置する工程と、(b)パルス核生成層プロセスによって基板上にタングステンの核生成層を堆積させる工程と、(c)基板を約395℃まで加熱し、当該温度を安定させる工程と、(d)基板温度を約395℃に維持しながら、パルス間のパルス動作なしに、核生成層を2から8パルスのジボランにさらす工程と、(e)基板温度を約395℃に維持する工程と、(f)核生成層をタングステン含有前駆物質にさらす工程と、(g)タングステン核生成層上にタングステンバルク層を堆積させる工程と、を有し、ジボランは、約100から500sccmの流量、約0.5から5秒のパルス時間、および、約2から5秒のインターバル時間を有する。 In another embodiment, the tungsten film deposition process comprises: (a) placing a substrate in a reaction chamber; (b) depositing a nucleation layer of tungsten on the substrate by a pulse nucleation layer process; c) heating the substrate to about 395 ° C. and stabilizing the temperature; and (d) maintaining the substrate temperature at about 395 ° C. while maintaining the substrate temperature at about 395 ° C. without pulsing between pulses, Exposing to diborane; (e) maintaining the substrate temperature at about 395 ° C .; (f) exposing the nucleation layer to a tungsten-containing precursor; and (g) forming a tungsten bulk layer on the tungsten nucleation layer. The diborane has a flow rate of about 100 to 500 sccm, a pulse time of about 0.5 to 5 seconds, and an interval time of about 2 to 5 seconds.
基板にタングステン膜を堆積させる装置の一実施形態では、装置は、マルチステーション基板堆積チャンバと、当該マルチステーション堆積チャンバ内の動作を制御するコントローラとを備える。マルチステーション基板堆積チャンバは、タングステン核生成層堆積ステーションと、還元剤暴露ステーションと、タングステンバルク層堆積ステーションとを有する。コントローラは、核生成層を堆積させるよう、タングステン核生成層堆積ステーションにおける還元剤パルスおよびタングステン含有前駆物質パルスの交互の発生を制御し、還元剤暴露ステーション内で、複数の還元剤パルスを、当該パルス間のパルス動作なしに発生させ、タングステンバルク層堆積ステーション内に、タングステン含有前駆物質、および、還元剤を暴露することにより、タングステンバルク層のすべてまたは一部を堆積させる。特定の実施形態では、コントローラは、タングステン核生成層堆積ステーションから還元剤ステーションまで、および、還元剤ステーションからタングステンバルク層堆積ステーションまでの基板の移送を制御する。 In one embodiment of an apparatus for depositing a tungsten film on a substrate, the apparatus comprises a multi-station substrate deposition chamber and a controller that controls operation within the multi-station deposition chamber. The multi-station substrate deposition chamber has a tungsten nucleation layer deposition station, a reducing agent exposure station, and a tungsten bulk layer deposition station. The controller controls the alternating generation of the reducing agent pulse and the tungsten-containing precursor pulse at the tungsten nucleation layer deposition station to deposit the nucleation layer, and the plurality of reducing agent pulses are applied within the reducing agent exposure station. All or part of the tungsten bulk layer is deposited by exposing it to a tungsten-containing precursor and a reducing agent in a tungsten bulk layer deposition station, generated without pulsing between pulses. In certain embodiments, the controller controls the transfer of the substrate from the tungsten nucleation layer deposition station to the reducing agent station and from the reducing agent station to the tungsten bulk layer deposition station.
本発明の上記および他の特徴は、添付の図面を参照して以下に詳細に説明される。 These and other features of the present invention are described in detail below with reference to the accompanying drawings.
図面と関連付けて考察することにより、以下の詳細な説明の理解はより深まるであろう。 The following detailed description will be better understood when considered in conjunction with the drawings.
以下の説明では、本発明の完全なる理解をもたらすべく、タングステン膜の形成に関する多数の具体的な詳細が記載される。好適な方法は、以下に詳細に説明するタングステン核生成層を還元剤パルスにさらす工程を含む。本願明細書中に示される特定の方法および構造の修正、改造、または、変更も当業者にとっては明らかであり、本発明の範囲に含まれる。 In the following description, numerous specific details regarding the formation of tungsten films are set forth in order to provide a thorough understanding of the present invention. A preferred method includes subjecting the tungsten nucleation layer, described in detail below, to a reducing agent pulse. Modifications, adaptations, or changes to the specific methods and structures shown herein will be apparent to those skilled in the art and are within the scope of the present invention.
一般的に、核生成層は、その上に次なるバルク層の形成を促す薄いコンフォーマルな層である。効率的なタングステン堆積プロセスは、タングステン核生成層が必要であるが、タングステン核生成層は、一般的に、タングステンバルク層より高い電気抵抗率を有する。したがって、タングステン膜全体(タングステン核生成層、および、タングステンバルク層)の電気抵抗率を低く保つためには、タングステン核生成層を可能な限り薄く維持しなければならない。その一方で、タングステン核生成層は、下にある基板を完全に覆って高品質のバルク堆積を支持するだけの十分な厚みもなければならない。 In general, the nucleation layer is a thin conformal layer that facilitates the formation of the next bulk layer thereon. An efficient tungsten deposition process requires a tungsten nucleation layer, which typically has a higher electrical resistivity than the tungsten bulk layer. Therefore, in order to keep the electrical resistivity of the entire tungsten film (tungsten nucleation layer and tungsten bulk layer) low, the tungsten nucleation layer must be kept as thin as possible. On the other hand, the tungsten nucleation layer must also be thick enough to completely cover the underlying substrate and support high quality bulk deposition.
抵抗率は、材料の固有特性であり、材料を通じての電荷の移動に対する材料の抵抗の測定値である。材料の抵抗率は、集積回路の電気的動作に影響する。低抵抗率のタングステン膜は、集積回路設計における電力損失、および、オーバーヒートを最小限に留める。さらに、タングステン膜は、ウェハにおける抵抗率の均一性に優れ、下層材料への接着性にも優れていることが望ましい。 Resistivity is an intrinsic property of a material and is a measure of the material's resistance to charge transfer through the material. The resistivity of the material affects the electrical operation of the integrated circuit. The low resistivity tungsten film minimizes power loss and overheating in integrated circuit designs. Furthermore, it is desirable that the tungsten film is excellent in uniformity of resistivity in the wafer and excellent in adhesion to the lower layer material.
本願明細書中に記載される方法は、タングステン核生成層によるタングステン膜の形成を含む。特定の実施形態では、タングステンバルク層を堆積させる前に、核生成層は、還元剤パルスにさらされる。結果として生じたタングステン膜は、核生成層を還元剤パルスにさらさずに形成されたタングステン膜よりも、一般的に抵抗率が低く、良好な均一性および良好な接着性を有する。 The method described herein includes forming a tungsten film with a tungsten nucleation layer. In certain embodiments, the nucleation layer is exposed to a reducing agent pulse prior to depositing the tungsten bulk layer. The resulting tungsten film generally has a lower resistivity, better uniformity and better adhesion than a tungsten film formed without exposing the nucleation layer to the reducing agent pulse.
以下に、本発明の特定の実施形態の側面がさらに詳細に記載される。
[プロセス]
In the following, aspects of certain embodiments of the present invention will be described in further detail.
[process]
本願明細書中に記載されるプロセスでは、タングステン核生成層上にタングステンバルク層が堆積される前に、タングステン核生成層は、1つ以上の還元剤パルスにさらされる。これは、核生成層表面処理とみなされてよい。還元剤パルスにさらすことにより、タングステン膜全体(核生成層およびバルク層)の抵抗率が向上する。 In the process described herein, the tungsten nucleation layer is exposed to one or more reducing agent pulses before the tungsten bulk layer is deposited on the tungsten nucleation layer. This may be regarded as a nucleation layer surface treatment. Exposure to the reducing agent pulse improves the resistivity of the entire tungsten film (nucleation layer and bulk layer).
図1Aは、タングステン核生成層への単一の還元剤パルスを表す。垂直軸は、気体流量を表し、水平軸は、プロセスのさまざまな工程に関連した段階に区切られた時間を表す。タングステン核生成層は、基板上に堆積した後、図1Aに示されるような単一の還元剤パルスにさらされる。その後、タングステンバルク層が核生成層上に堆積される(図示せず)。図1Aに示される例では、還元剤としてジボランを用いているが、シラン、および、他のボランなどの他の還元剤を用いてもよい。 FIG. 1A represents a single reducing agent pulse to the tungsten nucleation layer. The vertical axis represents gas flow and the horizontal axis represents time divided into stages associated with various steps of the process. After the tungsten nucleation layer is deposited on the substrate, it is exposed to a single reducing agent pulse as shown in FIG. 1A. A tungsten bulk layer is then deposited on the nucleation layer (not shown). In the example shown in FIG. 1A, diborane is used as the reducing agent, but other reducing agents such as silane and other boranes may be used.
一般的に、核生成層に還元剤処理を施した後に形成されるタングステン膜は、低抵抗率を有するが、シート抵抗の均一性は、核生成層を還元剤にさらさずに形成されたタングステン膜より劣る(すなわち、不均一性のパーセントが高い)。(a)図1Aに示されるような単一の還元剤パルスを用いた場合、および、(b)核生成層を還元剤にさらさない場合、に形成された500オングストロームの厚さのタングステン膜の典型的な抵抗率、および、不均一性のパーセントが以下の表1に示されている。
表1に示すように、還元剤処理なしで形成されるタングステン膜の典型的な抵抗率は、図1Aに示すような単一の還元剤パルスを用いて形成された膜の典型的な抵抗率より大きい。しかしながら、還元剤処理なしで形成されたタングステン膜のシート抵抗の均一性は、単一パルスの還元剤処理によって形成された膜のシート抵抗の均一性より一般的に優れている。単一パルスの還元剤処理によって形成されたタングステン膜の抵抗率は、還元剤に多くさらすことにより(すなわち、パルス時間を長くする、および/または、気体流を増やす)ことによってさらに低下させることができるが、下位層へのタングステン膜の接着性(表1には示されていない)は、単一パルス状の還元剤に多くさらすことにより低下する。 As shown in Table 1, the typical resistivity of a tungsten film formed without a reducing agent treatment is that of a film formed using a single reducing agent pulse as shown in FIG. 1A. Greater than. However, the sheet resistance uniformity of tungsten films formed without reducing agent treatment is generally superior to the sheet resistance uniformity of films formed by single pulse reducing agent treatment. The resistivity of tungsten films formed by single pulse reducing agent treatment can be further reduced by exposing more to the reducing agent (ie, increasing the pulse time and / or increasing the gas flow). Although, the adhesion of the tungsten film to the underlying layer (not shown in Table 1) is reduced by extensive exposure to a single pulsed reducing agent.
図1Bは、本発明の特定の実施形態における還元剤パルスとインターバル時間とを表すグラフである。垂直軸は、気体流量を表し、水平軸は、プロセスのさまざまな工程に関連した段階に区切られた時間を表す。堆積した核生成層は、パルス間にインターバル時間のあるマルチ還元剤パルスにさらされる。インターバルの間は、図1Bに示すように、反応チャンバに還元剤は供給されない。上述のごとく、本例における還元剤は、ジボランであるが、他の還元剤を用いてもかまわない。 FIG. 1B is a graph representing the reducing agent pulse and the interval time in a particular embodiment of the invention. The vertical axis represents gas flow and the horizontal axis represents time divided into stages associated with various steps of the process. The deposited nucleation layer is exposed to a multi-reducing agent pulse with an interval time between pulses. During the interval, no reducing agent is supplied to the reaction chamber, as shown in FIG. 1B. As described above, the reducing agent in this example is diborane, but other reducing agents may be used.
図1Bに示すようなマルチパルス処理によって、タングステン膜の抵抗率および均一性は予想外に向上する。表2は、300mmのウェハ上の窒化チタンバリア層に堆積された厚さ約510オングストロームのタングステン膜の特性を示す。還元剤処理に用いられる還元剤は、ジボランであった。各ウェハへのジボラン暴露量は等しく、すなわち、6秒間で1パルス、および、1秒間で6パルス、どちらも6秒間ジボランにさらされたことになる。抵抗率、不均一性のパーセント、および、接着性が測定された。接着性は、スクライブ/テープテストによって測定された。スクライブ/テープテストでは、タングステン膜は、ダイヤモンドカッターによって線を引かれ、線が引かれた領域にテープが貼付され、その後テープが剥がされた。スクライブ/テープテストの後、窒化チタンバリア層にタングステン膜が残っていれば、接着性が「合格」であることを示す。一方、テープによってタングステン膜が部分的に取り除かれていれば「不合格」であることを示す。データからわかるように、タングステン核生成層のマルチパルスジボラン処理によって、単一パルス処理のときよりも、高い接着性を維持しつつ、抵抗率が低く、シート抵抗の均一性に優れた(すなわち不均一性のパーセントが低い)タングステン膜が得られる。
図2および3を参照して以下に詳述するが、表2で示すように、異なるパルスのジボランを用いることにより、優れた接着性を保ちつつ、タングステン膜の抵抗率および均一性は予想外に向上する。上記のごとく、表2における各ウェハの総ジボラン暴露量は、等しい。表2に示されたマルチパルス処理と単一パルス処理との間の唯一の相違点は、マルチパルス処理は、細分化されてより小さなパルスのジボランとなり、抵抗率および均一性にさらに著しい向上が見られることである。 As described in detail below with reference to FIGS. 2 and 3, as shown in Table 2, the resistivity and uniformity of the tungsten film is unexpected while maintaining excellent adhesion by using different pulses of diborane. To improve. As noted above, the total diborane exposure for each wafer in Table 2 is equal. The only difference between multi-pulse processing and single-pulse processing shown in Table 2 is that multi-pulse processing is subdivided into smaller pulse diboranes, further increasing the resistivity and uniformity. It is to be seen.
図2は、単一パルスおよびマルチパルス還元剤処理により形成されたタングステン膜用ウェハにおけるタングステン膜シート抵抗を示すグラフである。このグラフに示されたデータは、表2で採り上げた同じウェハから得たものである。データからわかるように、マルチパルスジボラン処理は、ウェハの端部およびウェハの中心のどちらにおいても抵抗率を下げると共に、中心と端部との抵抗率の差を小さくする。したがって、マルチパルスジボラン処理では、単一パルス処理と比べ、抵抗率および不均一性のパーセントが共に低くなる。 FIG. 2 is a graph showing tungsten film sheet resistance in a tungsten film wafer formed by single-pulse and multi-pulse reducing agent treatment. The data shown in this graph was obtained from the same wafer taken in Table 2. As can be seen from the data, the multi-pulse diborane process lowers the resistivity at both the wafer edge and wafer center and reduces the difference in resistivity between the center and edge. Thus, multipulse diborane processing has both a low resistivity and non-uniformity percentage compared to single pulse processing.
図3は、単一パルスおよびマルチパルス還元剤処理により形成された多数のタングステン膜のシート抵抗の不均一性と抵抗率との関係を示すグラフである。データポイントで示されるタングステン膜は、異なるバリア層材料上に堆積され、タングステン核生成層は、異なる気体流で処理された。各タングステン膜間にばらつきはあるものの、マルチパルス還元剤処理で形成されたタングステン膜は、単一パルス処理で形成された膜より優れた特性を示す。グラフ上に楕円形で囲まれたマルチパルス処理による膜のすべては、シート抵抗の不均一性のパーセントが低く、抵抗率も低い。マルチパルス処理での接着性の結果も良好であり、不合格となったタングステン膜は1つだけだった。一方、単一パルス還元剤処理で形成されたタングステン膜は、一般的に、シート抵抗の不均一性のパーセントが高いか、または、抵抗率が高い。シート抵抗の不均一性のパーセントが低く、抵抗率も低い1つの単一パルス還元剤処理による膜(楕円形内のデータポイント)では、接着性が不合格である。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between the sheet resistance non-uniformity and the resistivity of a number of tungsten films formed by single pulse and multi-pulse reducing agent treatment. Tungsten films, indicated by data points, were deposited on different barrier layer materials, and the tungsten nucleation layer was treated with different gas streams. Although there are variations among the tungsten films, the tungsten film formed by the multi-pulse reducing agent treatment exhibits characteristics superior to the film formed by the single pulse treatment. All of the multi-pulse processed films enclosed in an ellipse on the graph have a low percentage of sheet resistance non-uniformity and low resistivity. The adhesion results in the multipulse treatment were also good, and only one tungsten film was rejected. On the other hand, tungsten films formed by single pulse reducing agent treatment generally have a high percentage of sheet resistance non-uniformity or high resistivity. One single pulse reducing agent-treated film (data point in the ellipse) with a low percentage of sheet resistance non-uniformity and low resistivity fails the adhesion.
1パルスにおける還元剤の気体流量は、好ましくは、約100から500sccmである。各還元剤パルスのパルス時間は、約0.5秒から5秒までの間で変化し、より好ましくは、約1から2秒である。複数の還元剤パルスの各還元剤パルス間のインターバル時間は、好ましくは、約2秒から5秒である。これらの動作条件では、還元剤パルスの数は、好ましくは2から8である。チャンバ圧力は、マルチパルス還元剤処理中、広範に変化してよく、約2から100Torr、より好ましくは、約20から40Torrである。これらの還元剤パルスパラメータは、300mmのウェハを基準としており、ウェハのサイズ、特定の処理装置、用いられる特定の還元剤などに応じて調整する必要がある。還元剤パルスにさらされた後、核生成層上にタングステンバルク層が堆積される。結果として生じたタングステン膜は、核生成層が単一の還元剤パルスにさらされて形成された薄膜に比べ、低抵抗率、良好なシート抵抗均一性、および、強い接着性を有する。 The reducing agent gas flow rate in one pulse is preferably about 100 to 500 sccm. The pulse time of each reducing agent pulse varies between about 0.5 seconds and 5 seconds, and more preferably is about 1 to 2 seconds. The interval time between each reducing agent pulse of the plurality of reducing agent pulses is preferably about 2 to 5 seconds. Under these operating conditions, the number of reducing agent pulses is preferably between 2 and 8. The chamber pressure may vary widely during multi-pulse reducing agent treatment and is about 2 to 100 Torr, more preferably about 20 to 40 Torr. These reducing agent pulse parameters are based on a 300 mm wafer and need to be adjusted according to the size of the wafer, the specific processing apparatus, the specific reducing agent used, and the like. After exposure to the reducing agent pulse, a tungsten bulk layer is deposited on the nucleation layer. The resulting tungsten film has low resistivity, good sheet resistance uniformity, and strong adhesion compared to a thin film formed by exposing the nucleation layer to a single reducing agent pulse.
パルス時間、パルスドーズ量、および、インターバル時間に応じて、所望のタングステン膜特性を得るために用いるべきパルスの最適数があることが判明した。用いるパルスが少なすぎると、タングステン膜の抵抗率およびシート抵抗の不均一性共に高くなる。用いるパルスが多すぎると、タングステン膜の抵抗率および不均一性は低くなるが、接着性が弱くなる。多くの実施形態では、パルス最適数は、2から8であるが、用いられる動作条件に依存する。非常に異なる処理条件に対しては、非常に多くのパルス数が用いられうる。 It has been found that there is an optimal number of pulses that should be used to obtain the desired tungsten film properties depending on the pulse time, pulse dose, and interval time. If too few pulses are used, both the resistivity of the tungsten film and the non-uniformity of the sheet resistance increase. If too many pulses are used, the resistivity and non-uniformity of the tungsten film will be low, but the adhesion will be weak. In many embodiments, the optimal number of pulses is between 2 and 8, depending on the operating conditions used. A very large number of pulses can be used for very different processing conditions.
タングステン核生成層がマルチパルスにさらされる実施形態では、それらのパルスは同一か、または、互いに異なってよい。図1Cは、特定の実施形態における、異なる還元剤パルス、および、インターバル時間を表すグラフの一例を示す。上記のごとく、垂直軸は、気体流量を表し、水平軸は、プロセスのさまざまな工程に関連した段階に区切られた時間を表す。図1Cでは、還元剤パルスのパルス時間は異なり、後続のパルスであるほど短くなっている。また、図1Cでは、各還元剤パルスにおける気体流量は、異なり、後続のパルスであるほど減少している。さらに、図1Cでは、パルス間のインターバル時間は、異なり、後続のパルスであるほど短くなっている。還元剤パルス時間、還元剤気体流量、および、インターバル時間は、別々に変化することにより、スループットを最適化し、さらには、タングステン膜の抵抗率、均一性、および、接着性を向上させる。 In embodiments where the tungsten nucleation layer is exposed to multiple pulses, the pulses may be the same or different from each other. FIG. 1C shows an example of a graph representing different reducing agent pulses and interval times in certain embodiments. As noted above, the vertical axis represents gas flow and the horizontal axis represents time divided into stages associated with various steps of the process. In FIG. 1C, the pulse time of the reducing agent pulse is different and is shorter for the subsequent pulses. Moreover, in FIG. 1C, the gas flow rate in each reducing agent pulse is different, and decreases with the subsequent pulse. Furthermore, in FIG. 1C, the interval time between pulses is different and is shorter for subsequent pulses. The reducing agent pulse time, reducing agent gas flow rate, and interval time are varied separately to optimize throughput and further improve the resistivity, uniformity, and adhesion of the tungsten film.
例えば、パルス流量、パルス時間、および/または、インターバル時間の変化は、基板表面への還元剤の異なる吸着速度が原因でありえる。特定の実施形態では、パルス時間、および/または、流量を減少させてよく、その場合、基板の還元剤適用範囲の著しい損失はなく、しかもスループットは向上する。図1Cにおける例では、流量、パルス時間、および、インターバル時間のすべてが減少しているが、個別に減少、増加、または、変化してよい。特定の実施形態では、例えば、2つの流量および/またはパルス時間が用いられ、1つが最初のパルス用、もう1つは、続くすべてのパルス用である。 For example, changes in pulse flow rate, pulse time, and / or interval time can be due to different adsorption rates of reducing agent on the substrate surface. In certain embodiments, the pulse time and / or flow rate may be reduced, in which case there is no significant loss of substrate reducing agent coverage and throughput is improved. In the example in FIG. 1C, the flow rate, pulse time, and interval time are all decreasing, but may be decreased, increased, or changed individually. In certain embodiments, for example, two flow rates and / or pulse times are used, one for the first pulse and one for all subsequent pulses.
図4は、本発明の特定の実施形態における1つのプロセスの流れを示すフローチャートである。まず、プロセスブロック401に示されるように、反応チャンバ内に基板が提供されて配置される。本発明の多くの実施形態では、基板は、半製品の電子デバイス(例えば、半製品の集積回路)である。いくつかの実施形態では、基板は、(例えば、四塩化チタンを用いた物理蒸着法(PVD)、または、化学蒸着法(CVD)によって堆積された)窒化チタン層でコーティングされてよい。この層の上にタングステン核生成層が堆積される。 FIG. 4 is a flowchart illustrating the flow of one process in a specific embodiment of the present invention. First, as shown in process block 401, a substrate is provided and placed in a reaction chamber. In many embodiments of the invention, the substrate is a semi-finished electronic device (eg, a semi-finished integrated circuit). In some embodiments, the substrate may be coated with a titanium nitride layer (e.g., deposited by physical vapor deposition (PVD) using titanium tetrachloride or chemical vapor deposition (CVD)). A tungsten nucleation layer is deposited on this layer.
次に、プロセスブロック403に示されるように、基板上にタングステン核生成層が堆積される。特定の実施形態では、タングステン核生成層を堆積させるためにパルス核生成層(PNL)プロセスが用いられる。PNL堆積プロセスでは、還元剤、パージガス、および、タングステン含有前駆物質のパルスが順次反応チャンバに送り込まれ、当該反応チャンバから出される。このプロセスは、核生成層が所望の厚さになるまで周期的に繰り返される。PNLは、文献で報告されている原子層堆積(ALD)技術と同様であるが、動作圧力レンジがより高い(1Torrより大きい)こと、サイクルごとの成長速度がより高い(サイクルごとの1単層膜の成長より大きい)ことによって、一般にALDとは区別される。本願明細書中で採り上げられるPNLプロセスは、従来のALD型プロセスも包含する。 Next, as shown in process block 403, a tungsten nucleation layer is deposited on the substrate. In certain embodiments, a pulse nucleation layer (PNL) process is used to deposit a tungsten nucleation layer. In the PNL deposition process, pulses of reducing agent, purge gas, and tungsten-containing precursor are sequentially sent into and out of the reaction chamber. This process is repeated periodically until the nucleation layer has the desired thickness. PNL is similar to the atomic layer deposition (ALD) technique reported in the literature, but with a higher operating pressure range (greater than 1 Torr), a higher growth rate per cycle (one monolayer per cycle). It is generally distinguished from ALD by greater than film growth. The PNL process picked up herein also includes a conventional ALD type process.
上記のごとく、タングステン核生成層は、タングステンバルク層の成長を促す薄いコンフォーマルな層である。タングステン核生成層の厚さは、一般的には10から30オングストロームである。タングステン核生成層を堆積させるPNL型プロセスについてのさらなる検討は、同一出願人による米国特許出願第11/265、531で見ることができ、その全体を参照により本願明細書に組み込む。PNL型処理についてのさらなる検討は、同一出願人による米国特許第6,844,258、7,005,372、および、7,141,494で見ることができ、それぞれの特許は、その全体を参照により本願明細書に組み込む。タングステン核生成層を形成するさらなる方法は、同一出願人による米国特許第6,905,543で見ることができ、その全体を参照により本願明細書に組み込む。 As described above, the tungsten nucleation layer is a thin conformal layer that facilitates the growth of a tungsten bulk layer. The thickness of the tungsten nucleation layer is typically 10 to 30 angstroms. Further discussion of PNL-type processes for depositing tungsten nucleation layers can be found in commonly assigned US patent application Ser. No. 11 / 265,531, which is hereby incorporated by reference in its entirety. Further discussion of PNL-type processing can be found in commonly assigned US Pat. Nos. 6,844,258, 7,005,372, and 7,141,494, each of which is incorporated by reference in its entirety Is incorporated herein by reference. Additional methods of forming a tungsten nucleation layer can be found in commonly assigned US Pat. No. 6,905,543, which is incorporated herein by reference in its entirety.
図4における次のプロセス動作405は、核生成層が還元剤パルスにさらされる工程を含む。特定の実施形態では、還元剤は、ジボランである。ジボランおよび関連する成分は、窒化チタンなどの金属窒化物表面によく吸着することがわかっている。ボランは自らの制約で基板に吸着されない。ジボランは、基板表面と反応してホウ素膜に分解される。基板がジボランにさらされ続ける限り、反応は進行しうる。したがって、吸着種の量は、ジボランの暴露量に依存する。一般的に、ジボランは、希釈されたソース(例えば、ジボラン5%、窒素95%)から供給される。ジボランは、例えば、アルゴン、水素、および/または、シランなどの他のさらなるキャリヤガスを用いて反応チャンバに送られてよい。また、複数の実施形態は、還元剤パルスおよびインターバル時間のどちらにおいても反応チャンバに流れ続ける不活性ガス/水素ガスの混合物を含む。特定の実施形態では、不活性ガスはアルゴンである。しかしながら、インターバル時間中は、継続的に流れる不活性ガス/水素ガスの混合物、または、バックグラウンドガス以外のガスは反応チャンバには流れない、すなわち、還元剤パルス間のインターバル時間中は、いかなるパルス動作もない。核生成層が還元剤にさらされる時間は、暴露量およびチャンバ条件に一部基づいて変化する。図1Cを参照して上述したように、還元剤パルス時間、インターバル時間、および、流量は、すべて変化してよい。 The next process operation 405 in FIG. 4 includes exposing the nucleation layer to a reducing agent pulse. In certain embodiments, the reducing agent is diborane. Diborane and related components have been found to adsorb well on metal nitride surfaces such as titanium nitride. Borane is not adsorbed on the substrate due to its own restrictions. Diborane reacts with the substrate surface and decomposes into a boron film. As long as the substrate continues to be exposed to diborane, the reaction can proceed. Therefore, the amount of adsorbed species depends on the amount of diborane exposed. In general, diborane is supplied from a diluted source (eg, diborane 5%, nitrogen 95%). Diborane may be sent to the reaction chamber using other additional carrier gases such as, for example, argon, hydrogen, and / or silane. Embodiments also include an inert gas / hydrogen gas mixture that continues to flow into the reaction chamber during both the reducing agent pulse and the interval time. In certain embodiments, the inert gas is argon. However, during the interval time, a continuously flowing inert gas / hydrogen gas mixture, or gases other than background gas, do not flow into the reaction chamber, i.e. any pulse during the interval time between reducing agent pulses. There is no operation. The time that the nucleation layer is exposed to the reducing agent varies based in part on the amount of exposure and the chamber conditions. As described above with reference to FIG. 1C, the reducing agent pulse time, interval time, and flow rate may all vary.
タングステン核生成層が還元剤パルスにさらされた後、その上に、動作407に示すようにタングステンバルク層が堆積される。多くの実施形態では、タングステンバルク層は、CVDプロセスを用いて堆積される。それは、CVDが速やかに低抵抗率膜を形成することがわかっているからである。いかなる適切なタングステン含有前駆物質によるいかなる適切なCVDプロセスも利用されうる。特定の実施形態では、タングステン前駆物質は、WF6、WCl6、および、W(CO)6のうちの1つである。CVDプロセスは、分子水素と上記前駆物質の1つ以上との混合物を用いて実行されることがよくある。他の実施形態では、CVDプロセスは、シランを伴うタングステン前駆物質、水素とシランとの混合物、または、水素とボランとの混合物(例えばジボラン)を用いてよい。ALD、PNL、または、PVDを含むCVDプロセス以外の方法を用いてタングステンバルク層を形成してもよい。 After the tungsten nucleation layer is exposed to the reducing agent pulse, a tungsten bulk layer is deposited thereon as shown in operation 407. In many embodiments, the tungsten bulk layer is deposited using a CVD process. This is because CVD is known to quickly form a low resistivity film. Any suitable CVD process with any suitable tungsten-containing precursor can be utilized. In certain embodiments, the tungsten precursor is one of WF6, WCl6, and W (CO) 6. The CVD process is often performed using a mixture of molecular hydrogen and one or more of the above precursors. In other embodiments, the CVD process may use a tungsten precursor with silane, a mixture of hydrogen and silane, or a mixture of hydrogen and borane (eg, diborane). The tungsten bulk layer may be formed using methods other than CVD processes including ALD, PNL, or PVD.
タングステンバルク層は、いかなる厚さにも堆積されうる。集積回路用途のタングステンインターコネクト線の厚みの合計(タングステン核生成層およびタングステンバルク層)は、約20から1、000オングストロームでありうる。典型的なビット線では、タングステン膜の厚みの合計は、一般的には約500オングストローム以下である。タングステン膜が十分な厚さに堆積された後、図4のプロセスフローは終了する。特定の実施形態では、動作405から407までが繰り返し実行されることにより、タングステン膜がむらなく堆積される。 The tungsten bulk layer can be deposited to any thickness. The total thickness of tungsten interconnect lines for integrated circuit applications (tungsten nucleation layer and tungsten bulk layer) can be about 20 to 1,000 angstroms. In a typical bit line, the total thickness of the tungsten film is typically less than about 500 angstroms. After the tungsten film is deposited to a sufficient thickness, the process flow of FIG. 4 ends. In certain embodiments, operations 405 through 407 are repeatedly performed to deposit the tungsten film evenly.
図5のフローチャートには、タングステン膜を形成するための本発明の他の実施形態が示されている。図5におけるプロセスフローは、図5におけるプロセスフローを実装するにあたり任意で実行されうる動作505、509、および、511を除けば、図4におけるプロセスフローと同様である。 The flowchart of FIG. 5 shows another embodiment of the present invention for forming a tungsten film. The process flow in FIG. 5 is similar to the process flow in FIG. 4 except for operations 505, 509, and 511 that may optionally be performed in implementing the process flow in FIG.
図4に示されるプロセスと同様に、まず、プロセスブロック501で示されるように、反応チャンバ内に基板が提供されて配置される。次に、プロセスブロック503に示されるように、基板上にタングステン核生成層が堆積される。 Similar to the process shown in FIG. 4, a substrate is first provided and placed in the reaction chamber, as indicated by process block 501. Next, as shown in process block 503, a tungsten nucleation layer is deposited on the substrate.
プロセスブロック505に示されるように、プロセス動作507において核生成層が複数の還元剤パルスにさらされる前に、基板は、約375℃から415℃、好ましくは、約395℃に任意で加熱され、当該温度は安定させられる。次に、プロセス動作507において、上述のごとく、核生成層は、複数の還元剤パルスにさらされる。次に、プロセス動作509において、熱処理が行われる。この熱処理において、基板は、約375℃から415℃、好ましくは395℃に加熱されうる。核生成層が還元剤パルスにさらされる(プロセス動作507)前に余熱プロセス動作505を実行し、還元剤処理の後に熱処理プロセス動作509を実行することによって、より優れた特性を有するタングステン膜が得られる。熱処理動作は、395℃でのソーク(thermal soak)を含みうる。プレ/ポスト熱処理は、膜の接着性を強め、シート抵抗の不均一性のパーセントを低くする。本願明細書中に記載した例におけるプロセス温度は、395℃であるが、余/後熱処理は、他のプロセス温度を用いてもよい。 As shown in process block 505, the substrate is optionally heated to about 375 ° C. to 415 ° C., preferably about 395 ° C., before the nucleation layer is exposed to the plurality of reducing agent pulses in process operation 507, The temperature is stabilized. Next, in process operation 507, the nucleation layer is exposed to a plurality of reducing agent pulses as described above. Next, in process operation 509, heat treatment is performed. In this heat treatment, the substrate can be heated to about 375 ° C. to 415 ° C., preferably 395 ° C. A preheat process operation 505 is performed before the nucleation layer is exposed to the reducing agent pulse (process operation 507), and a heat treatment process operation 509 is performed after the reducing agent treatment to obtain a tungsten film having better properties. It is done. The heat treatment operation may include a soak at 395 ° C. Pre / post heat treatment enhances film adhesion and reduces the percent of sheet resistance non-uniformity. The process temperature in the examples described herein is 395 ° C., but the other / post heat treatment may use other process temperatures.
また、プロセス動作511において、核生成層上にタングステンバルク層が堆積される前に、核生成層がタングステン含有前駆物質にさらされることにより、タングステン核生成層の他の部分が形成されうる。いかなる適切なタングステン含有前駆物質も用いられうる。特定の実施形態では、タングステン前駆物質は、WF6、WCl6、および、W(CO)6のうちの1つである。タングステン含有前駆物質は、通常、アルゴン、窒素、水素などの希釈ガス、または、それらの組合せの状態で提供される。さまざまな実施形態によれば、ブロック505から511までの温度は、一定でも、あるいは、約250から415℃までの異なる温度間で変化してもよい。特定の実施形態では、基板温度は、約350℃を下回ってよく、例えば、約250℃から350℃、または、275℃から350℃であってよい。タングステン含有前駆物質の暴露量、および、基板が前駆物質にさらされる時間は、多数の要因によって変化する。本プロセス動作は、タングステン膜の特性も向上させる。 Also, in process operation 511, other portions of the tungsten nucleation layer may be formed by exposing the nucleation layer to a tungsten-containing precursor before the tungsten bulk layer is deposited on the nucleation layer. Any suitable tungsten-containing precursor can be used. In certain embodiments, the tungsten precursor is one of WF6, WCl6, and W (CO) 6. The tungsten-containing precursor is typically provided in a diluent gas such as argon, nitrogen, hydrogen, or combinations thereof. According to various embodiments, the temperature from blocks 505 to 511 may be constant or may vary between different temperatures from about 250 to 415 ° C. In certain embodiments, the substrate temperature may be below about 350 ° C., for example, about 250 ° C. to 350 ° C., or 275 ° C. to 350 ° C. The amount of tungsten-containing precursor exposure and the time the substrate is exposed to the precursor will vary depending on a number of factors. This process operation also improves the properties of the tungsten film.
図6は、図5に示された方法の特定の実施形態を示す。まず、プロセスブロック601に示されるように、反応チャンバ内に基板が提供されて配置される。次に、プロセスブロック603に示されるように、約300℃の低温でのパルス核生成層プロセスによって、基板上にタングステン核生成層が堆積される。プロセスブロック605に示されるように、基板は、約395℃に加熱されて、温度は安定させられる。その後、上述のごとく、プロセス動作607において、核生成層が複数のジボランパルスにさらされる。次に、プロセス動作609において、基板は、約395℃で熱処理される。その後、プロセス動作611において、核生成層は、タングステン含有前駆物質にさらされる。いかなる適切なタングステン含有前駆物質が、典型的には希釈ガスの状態で提供されてよい。特定の実施形態では、タングステン前駆物質は、WF6、WCl6、および、W(CO)6のうちの1つである。基板温度は、約250℃から415℃であってよく、特定の実施形態では、約350℃を下回ってよく、例えば、約250℃から350℃、または、275℃から350℃であってよい。タングステン核生成層がタングステン含有前駆物質にさらされた後、動作613において、タングステン核生成層上にタングステンバルク層が堆積される。 FIG. 6 shows a specific embodiment of the method shown in FIG. First, as shown in process block 601, a substrate is provided and placed in a reaction chamber. Next, as shown in process block 603, a tungsten nucleation layer is deposited on the substrate by a pulse nucleation layer process at a low temperature of about 300 ° C. As shown in process block 605, the substrate is heated to about 395 ° C. to stabilize the temperature. Thereafter, as described above, in process operation 607, the nucleation layer is exposed to a plurality of diborane pulses. Next, in process operation 609, the substrate is heat treated at about 395 ° C. Thereafter, in process operation 611, the nucleation layer is exposed to a tungsten-containing precursor. Any suitable tungsten-containing precursor may be provided, typically in a diluent gas. In certain embodiments, the tungsten precursor is one of WF6, WCl6, and W (CO) 6. The substrate temperature may be about 250 ° C. to 415 ° C., and in certain embodiments may be below about 350 ° C., for example, about 250 ° C. to 350 ° C., or 275 ° C. to 350 ° C. After the tungsten nucleation layer is exposed to the tungsten-containing precursor, in operation 613, a tungsten bulk layer is deposited over the tungsten nucleation layer.
上述のごとく、タングステン核生成層は、一般的に、タングステンバルク層より高い電気抵抗率を有する。タングステン膜全体(タングステン核生成層およびタングステンバルク層)の抵抗率を低く保つためには、タングステン核生成層の厚みをできるだけ薄く維持しなければならい。図6に示すように、薄い核生成層を形成すべく、PNLタングステン堆積プロセスが用いられる。核生成層には、タングステンバルク層が堆積される前に、マルチパルス還元剤処理が施される。結果として生じたタングステン膜は、全体として良好な接着性を維持しつつ、低抵抗率および優れた均一性を有する。
[装置]
As described above, the tungsten nucleation layer generally has a higher electrical resistivity than the tungsten bulk layer. In order to keep the resistivity of the entire tungsten film (tungsten nucleation layer and tungsten bulk layer) low, the thickness of the tungsten nucleation layer must be kept as thin as possible. As shown in FIG. 6, a PNL tungsten deposition process is used to form a thin nucleation layer. The nucleation layer is subjected to a multi-pulse reducing agent treatment before the tungsten bulk layer is deposited. The resulting tungsten film has low resistivity and excellent uniformity while maintaining good overall adhesion.
[apparatus]
本発明の方法は、さまざまな販売業者から入手可能なさまざまなタイプの堆積装置において実行しうる。適切な装置の例は、Novellus Concept 2 Altus、Concept−2 Altus−S、Concept 3 Altus堆積システムであり、すべてカリフォルニア州サンタクララのNovellus Systems社から購入できる。または、他のいかなる市販のCVD処理システムでもよい。場合によっては、プロセスは、複数の堆積ステーションで順次実行されうる。例えば、参照により本願明細書中に組み込まれる米国特許第6、143、082を参照されたい。いくつかの実施形態では、タングステン核生成層堆積プロセスは、単一の堆積チャンバ内に配置された2つ、4つ、5つ、または、より多くの堆積ステーションの1つである第1のステーション、または、第1および第2のステーションで実行される。還元ガスおよびタングステン含有ガスは、基板表面に局所雰囲気を生成する個別のガス供給システムを用いて、第1のステーションにおいて半導体基板表面に交互に導入される。 The method of the present invention may be performed in various types of deposition equipment available from various vendors. Examples of suitable devices are the Novellus Concept 2 Altus, the Concept-2 Altus-S, the Concept 3 Altus deposition system, all available from Novellus Systems, Inc., Santa Clara, California. Or any other commercially available CVD processing system. In some cases, the process may be performed sequentially at multiple deposition stations. See, for example, US Pat. No. 6,143,082, which is incorporated herein by reference. In some embodiments, the tungsten nucleation layer deposition process is a first station that is one of two, four, five, or more deposition stations disposed within a single deposition chamber. Or executed at the first and second stations. The reducing gas and the tungsten-containing gas are alternately introduced into the semiconductor substrate surface at the first station using a separate gas supply system that creates a local atmosphere on the substrate surface.
図7は、本発明の複数の実施形態における、タングステン薄膜堆積プロセスの実行に適したCVD処理システムのブロック図である。システム700は、移送モジュール703を含む。移送モジュール703は、クリーンな加圧された雰囲気を提供することにより、処理中の基板がさまざまなリアクタモジュール間を移動する際に汚染されるリスクを最小限に留める。マルチステーションリアクタ709に載置された移送モジュール703は、本発明の実施形態におけるPNL堆積、マルチパルス還元剤処理、および、CVDを実行することができる。チャンバ709は、これらの動作を連続的に実行しうるマルチステーション711、713、715、および、717を有する。例えば、チャンバ709は、ステーション711がPNL堆積を実行し、ステーション713がマルチパルス還元剤処理を実行し、ステーション715および717がCVDを実行するようにされうる。 FIG. 7 is a block diagram of a CVD processing system suitable for performing a tungsten thin film deposition process in embodiments of the present invention. System 700 includes a transfer module 703. The transfer module 703 minimizes the risk of contamination of the substrate being processed as it moves between the various reactor modules by providing a clean, pressurized atmosphere. The transfer module 703 mounted in the multi-station reactor 709 can perform PNL deposition, multi-pulse reducing agent treatment, and CVD in the embodiment of the present invention. The chamber 709 includes multi-stations 711, 713, 715, and 717 that can continuously execute these operations. For example, chamber 709 can be configured such that station 711 performs PNL deposition, station 713 performs multi-pulse reducing agent processing, and stations 715 and 717 perform CVD.
移送モジュール703に載置されうる1つ以上の単一またはマルチステーションモジュール707は、プラズマまたは化学(非プラズマ)プレクリーンを実行できる。モジュールは、ポストライナ窒化タングステン処理などのさまざまな他の処理に用いられうる。システム700は、1つ以上(この場合は2つ)のウェハソースモジュール701を含み、この場合、ウェハは、処理の前後には格納される。大気移送チャンバ719における大気ロボット(図示せず)は、まず、ウェハをソースモジュール701からロードロック721へと移動させる。移送モジュール703におけるウェハ移送デバイス(一般にはロボットアームユニット)は、ウェハをロードロック721から移送モジュール703に取り付けられたモジュールに移動させる。 One or more single or multi-station modules 707 that can be mounted on the transfer module 703 can perform plasma or chemical (non-plasma) preclean. The module can be used for a variety of other processes such as a post liner tungsten nitride process. The system 700 includes one or more (in this case, two) wafer source modules 701, where wafers are stored before and after processing. An atmospheric robot (not shown) in the atmospheric transfer chamber 719 first moves the wafer from the source module 701 to the load lock 721. A wafer transfer device (generally a robot arm unit) in the transfer module 703 moves the wafer from the load lock 721 to a module attached to the transfer module 703.
特定の実施形態では、堆積中のプロセス条件を制御するためにシステムコントローラが用いられる。コントローラは、一般的に、1つ以上のメモリデバイス、および、1つ以上のプロセッサを含むとされる。プロセッサは、CPU、または、コンピュータ、アナログおよび/またはデジタル入出力接続部、ステッパモータコントローラボードなどを含みうる。 In certain embodiments, a system controller is used to control process conditions during deposition. A controller is generally assumed to include one or more memory devices and one or more processors. The processor may include a CPU, computer, analog and / or digital input / output connection, stepper motor controller board, and the like.
コントローラは、堆積装置の動作のすべてを制御しうる。システムコントローラは、タイミング、ガスの混合、チャンバ圧力、チャンバ温度、ウェハ温度、RF電力レベル、ウェハチャックまたはペデスタル位置、および、特定のプロセスの他のパラメータを制御する命令セットを含むシステム制御ソフトウェアを実行する。いくつかの実施形態では、コントローラに付随してメモリデバイスに格納される他のコンピュータプログラムも用いられうる。 The controller can control all of the operations of the deposition apparatus. The system controller runs system control software including an instruction set that controls timing, gas mixing, chamber pressure, chamber temperature, wafer temperature, RF power level, wafer chuck or pedestal position, and other parameters of a particular process To do. In some embodiments, other computer programs stored in the memory device associated with the controller may be used.
一般的には、コントローラに付随するユーザインターフェースが存在する。ユーザインターフェースは、ディスプレイスクリーン、装置および/またはプロセス条件のグラフィックソフトウェア表示、および、ポインティングデバイス、キーボード、タッチスクリーン、マイクロフォンなどのユーザ入力デバイスを含みうる。 In general, there is a user interface associated with the controller. The user interface may include a display screen, graphical software display of equipment and / or process conditions, and user input devices such as a pointing device, keyboard, touch screen, microphone, and the like.
プロセスシーケンスにおける堆積および他の処理を制御するコンピュータプログラムコードは、例えば、アセンブリ言語、C、C++、パスカル、フォートラン、または、他のいかなる従来のコンピュータ可読プログラミング言語で記述されてもよい。コンパイルされたオブジェクトコードまたはスクリプトがプロセッサにより実行されて、プログラム内で識別されたタスクを実行する。 Computer program code that controls deposition and other processing in the process sequence may be written in, for example, assembly language, C, C ++, Pascal, Fortran, or any other conventional computer readable programming language. Compiled object code or script is executed by the processor to perform the tasks identified in the program.
コントローラパラメータは、例えば、プロセスガスの組成および流量、温度、圧力、RF電力レベル、および、低周波RF周波数などのプラズマ条件、冷却ガス圧力、および、チャンバ壁温度などのプロセス条件に関連する。これらのパラメータは、レシピの形でユーザに提供され、ユーザインターフェースを利用して入力されうる。 The controller parameters relate to process conditions such as, for example, process gas composition and flow rate, temperature, pressure, RF power level, plasma conditions such as low frequency RF frequency, cooling gas pressure, and chamber wall temperature. These parameters are provided to the user in the form of a recipe and can be entered using a user interface.
プロセスをモニタする信号は、システムコントローラのアナログおよび/またはデジタル入力接続部によって供給されうる。プロセスを制御する信号は、堆積装置のアナログおよびデジタル出力接続部に出力される。 The signal to monitor the process may be provided by the system controller's analog and / or digital input connections. Signals that control the process are output to the analog and digital output connections of the deposition apparatus.
システムソフトウェアは、多くの異なる方法で設計または構成されうる。例えば、さまざまなチャンバ構成部品サブルーチン、または、制御対象が本発明の堆積プロセスを実行するために必要なチャンバ構成部品の動作を制御すべく書き込まれうる。この目的のためのプログラムまたはプログラムのセクションは、基板位置決めコード、プロセスガス制御コード、圧力制御コード、ヒータ制御コード、および、プラズマ制御コードを含む。 System software can be designed or configured in many different ways. For example, various chamber component subroutines or controlled objects may be written to control the operation of the chamber components necessary to perform the deposition process of the present invention. Programs or program sections for this purpose include substrate positioning code, process gas control code, pressure control code, heater control code, and plasma control code.
基板位置決めプログラムは、基板をペデスタルまたはチャックに載せ、当該基板と、ガス入口および/またはターゲットなどのチャンバの他の部分との間隔を制御するために用いられるチャンバ構成部品を制御するプログラムコードを含みうる。プロセスガス制御プログラムは、チャンバ内の圧力を安定させるべく、堆積前にガス組成および流量を制御し、任意でチャンバ内にガスを送り込むためのコードを含みうる。圧力制御プログラムは、例えば、チャンバの排気システムにおけるスロットルバルブなどを調整することにより、チャンバ内の圧力を制御するコードを含みうる。ヒータ制御プログラムは、基板を加熱するために用いられる加熱ユニットへの電流を制御するコードを含みうる。または、ウェハチャックへの、ヘリウムなどの熱伝導ガスの供給を制御しうる。 The substrate positioning program includes program code that controls chamber components used to place the substrate on a pedestal or chuck and control the spacing between the substrate and other parts of the chamber such as the gas inlet and / or target. sell. The process gas control program may include code for controlling the gas composition and flow rate prior to deposition and optionally forcing gas into the chamber to stabilize the pressure in the chamber. The pressure control program may include code that controls the pressure in the chamber, for example, by adjusting a throttle valve or the like in the chamber exhaust system. The heater control program may include code that controls the current to the heating unit used to heat the substrate. Alternatively, the supply of a heat conduction gas such as helium to the wafer chuck can be controlled.
堆積中にモニタされうるチャンバセンサの例は、マスフローコントローラ、マノメータなどの圧力センサ、および、ペデスタルまたはチャックに配置される熱電対を含む。所望のプロセス条件を維持すべく、これらのセンサからのデータと共に、適切にプログラムされたフィードバックおよび制御アルゴリズムが用いられうる。 Examples of chamber sensors that can be monitored during deposition include pressure sensors such as mass flow controllers, manometers, and thermocouples placed on pedestals or chucks. Appropriately programmed feedback and control algorithms can be used along with data from these sensors to maintain the desired process conditions.
ここまでは、単一またはマルチチャンバ半導体処理ツールにおける本発明の実施形態の実装についての説明である。
[用途]
Thus far, the implementation of the embodiments of the present invention in a single or multi-chamber semiconductor processing tool has been described.
[Usage]
本発明の実施形態は、多くの異なる用途の低抵抗率のタングステン薄膜を堆積させるために用いられうる。1つの好適な用途は、メモリチップ、および、マイクロプロセッサなどの集積回路におけるインターコネクトである。インターコネクトは、単一のメタライゼーション層に見られる電流ラインであって、概ね長く薄く平らな構造を有する。これらがタングステン膜のブランケット堆積により(上述のようなプロセスにより)形成され、続いて、通電タングステン線の位置を定めるパターニング、および、タングステン線の外側の領域からタングステンを除去する動作が行われる。 Embodiments of the present invention can be used to deposit low resistivity tungsten films for many different applications. One suitable application is interconnects in integrated circuits such as memory chips and microprocessors. An interconnect is a current line found in a single metallization layer and has a generally long thin flat structure. These are formed by blanket deposition of a tungsten film (by the process as described above), followed by patterning to locate the current tungsten lines and removing tungsten from the regions outside the tungsten lines.
インターコネクト用途の主な例は、メモリチップにおけるビット線である。本発明の実施形態は、インターコネクト用途に限定されないのは、もちろんであり、電子デバイスにおいて一般的に見られるビア、コンタクト、および、他のタングステン構造にまで拡張される。一般に、本発明の実施形態は、低抵抗率のタングステン薄膜が必要とされるあらゆる環境において用途を見出す。他の主な例は、コンタクトビアである。 A major example of interconnect applications is bit lines in memory chips. Of course, embodiments of the present invention are not limited to interconnect applications, and extend to vias, contacts, and other tungsten structures commonly found in electronic devices. In general, embodiments of the invention find application in any environment where a low resistivity tungsten film is required. Another major example is contact vias.
本発明の実施形態は、一般的に500オングストローム以下、好ましくは、300オングストローム以下のオーダーの比較的薄い低抵抗率のタングステン膜にも焦点を当てる。しかしながら、より一般的には、本発明の実施形態は、約5オングストロームから1000オングストロームの厚みを有するタングステン膜を含む、より広い範囲のタングステン膜に適用される。一般的には2000から3000オングストロームであるが、約4000オングストロームくらいの厚膜でも堆積されうる。これらの厚膜(2000から4000オングストローム)は、一般的に、プラグフィル、または、プラグフィルおよび1の金属線に用いられ、一方、それより薄い膜は、ビットラインに用いられる。一般的に、膜厚は、特定の集積方式に依存する。 Embodiments of the present invention also focus on relatively thin, low resistivity tungsten films, typically on the order of 500 angstroms or less, preferably 300 angstroms or less. More generally, however, embodiments of the present invention apply to a wider range of tungsten films, including tungsten films having a thickness of about 5 angstroms to 1000 angstroms. Generally, it is 2000 to 3000 angstroms, but a thick film of about 4000 angstroms can be deposited. These thick films (2000 to 4000 angstroms) are typically used for plug fill or plug fill and one metal line, while thinner films are used for bit lines. In general, the film thickness depends on the specific integration scheme.
図8Aおよび8Bは、本発明の方法を用いて形成されうる2つの異なる積層膜を示す断面図である。どちらの積層膜も上記のようなインターコネクト用途を表しうる。図8Aの積層膜は、下層基板801に形成され、単一の構成要素、または、より一般的には、さまざまな導電、絶縁、および、半導体構成部品を有する複合多機能構造であってよい。例えば、基板801は、二酸化ケイ素などのシリコンまたは誘電体を含む最上層を有しうる。基板801、チタン層803、窒化チタン層805、タングステン核生成層807、および、タングステンバルク層809の順で接触している(本発明の実施形態に従い形成される)。チタン層803は、一般的にCVDプロセスによって堆積されることにより、下層基板801とのかなり良好な接着性が得られる。窒化チタン層805は、一般的にCVDまたはPVD方法を用いて堆積され、続くタングステン堆積中に、下のチタンおよび/またはシリコンが六フッ化タングステンにさらされるのを防ぐために用いられる。WF6はチタンと非常に強く、時には劇的に反応することがわかっている。タングステン核生成層807は、好ましくはパルス核生成プロセスにより形成される。タングステンバルク層809は、上記のような本発明の実施形態に従い形成される。上記のようなインターコネクト用途において、層803、805、807、および、809は、すべてエッチングされることによりインターコネクト線が形成される。 8A and 8B are cross-sectional views showing two different laminated films that can be formed using the method of the present invention. Both laminated films can represent interconnect applications as described above. The stacked film of FIG. 8A is formed on the underlying substrate 801 and may be a single component or, more generally, a composite multifunction structure having various conductive, insulating, and semiconductor components. For example, the substrate 801 can have a top layer comprising silicon or a dielectric such as silicon dioxide. The substrate 801, the titanium layer 803, the titanium nitride layer 805, the tungsten nucleation layer 807, and the tungsten bulk layer 809 are in contact in this order (formed according to the embodiment of the present invention). The titanium layer 803 is generally deposited by a CVD process, so that fairly good adhesion with the lower substrate 801 can be obtained. Titanium nitride layer 805 is typically deposited using CVD or PVD methods and is used to prevent exposure of the underlying titanium and / or silicon to tungsten hexafluoride during subsequent tungsten deposition. WF6 is known to be very strong with titanium and sometimes reacts dramatically. The tungsten nucleation layer 807 is preferably formed by a pulse nucleation process. The tungsten bulk layer 809 is formed according to the embodiment of the present invention as described above. In interconnect applications as described above, layers 803, 805, 807, and 809 are all etched to form interconnect lines.
図8Bの積層膜は、下層基板811(例えば、シリコンおよび/または二酸化ケイ素を含む)、タングステン核生成層815、および、タングステンバルク層817がある点では、図8Aと同様である。しかしながら、チタンおよび窒化チタン層に代わり、タングステン層812、および、窒化タングステン層813が用いられる。窒化層813は、下にあるシリコンがWF6にさらされるのを防ぐために用いられ、一般的に、CVDまたはPVDを用いて堆積されることにより、下のシリコンまたは誘電体基板へのかなり良好な接着性が得られるが、インターコネクトとして機能するために十分な高品質の層を必ずしも提供しない。図8Aの積層膜では、層812、813、815、および、817のすべてがエッチングされることにより、インターコネクト線が形成される。
[他の実施形態]
The stacked film of FIG. 8B is similar to FIG. 8A in that there is a lower substrate 811 (eg, containing silicon and / or silicon dioxide), a tungsten nucleation layer 815, and a tungsten bulk layer 817. However, a tungsten layer 812 and a tungsten nitride layer 813 are used instead of the titanium and titanium nitride layers. Nitride layer 813 is used to prevent the underlying silicon from being exposed to WF6 and is generally deposited using CVD or PVD to provide fairly good adhesion to the underlying silicon or dielectric substrate. Provides high quality, but does not necessarily provide a high quality layer sufficient to function as an interconnect. In the laminated film of FIG. 8A, all of the layers 812, 813, 815, and 817 are etched to form an interconnect line.
[Other Embodiments]
いくつかの実施形態に関して本発明を説明してきたが、変更、修正、置き換え、および、代替等価物もありえ、それらは本発明の範囲に含まれる。本発明の方法および装置を実装する多くの別な方法が存在することに留意されたい。したがって、添付の請求項は、本発明の実施形態の真の趣旨および範囲に納まるものとして、そのような変更、修正、置き換え、および、代替等価物のすべてを含むと解釈されることが意図される。 Although the invention has been described with respect to several embodiments, there may be alterations, modifications, substitutions, and alternative equivalents, which are within the scope of the invention. It should be noted that there are many alternative ways of implementing the method and apparatus of the present invention. Accordingly, the appended claims are intended to be construed to include all such alterations, modifications, substitutions and alternative equivalents as fall within the true spirit and scope of the embodiments of this invention. The
ここまで、抵抗率が低く、均一性および接着性共に優れたタングステン薄膜を形成する本発明の実施形態を説明してきた。本願明細書に記載される方法は、銅およびアルミニウムを含む、抵抗率が低く、均一性および接着性共に優れた他の金属膜を形成するためにも適用可能である。 So far, embodiments of the present invention have been described that form a tungsten thin film with low resistivity and excellent uniformity and adhesion. The method described in the present specification can also be applied to form other metal films including copper and aluminum with low resistivity and excellent uniformity and adhesion.
Claims (18)
(a)前記反応チャンバ内に前記基板を配置する工程と、
(b)前記基板上にタングステン核生成層を堆積させる工程と、
(c)前記核生成層を、複数の還元剤パルスにさらす工程であって、前記パルス間にはパルス動作がない工程と、
(d)前記タングステン核生成層上にタングステンバルク層を堆積させて前記タングステン膜を形成する工程と、
を備える方法。 A method of forming a tungsten film on a substrate in a reaction chamber,
(A) placing the substrate in the reaction chamber;
(B) depositing a tungsten nucleation layer on the substrate;
(C) exposing the nucleation layer to a plurality of reducing agent pulses, wherein there is no pulse action between the pulses;
(D) depositing a tungsten bulk layer on the tungsten nucleation layer to form the tungsten film;
A method comprising:
(a)前記基板を反応チャンバ内に配置する工程と、
(b)パルス核生成層プロセスによって、前記基板上にタングステン核生成層を堆積させる工程と、
(c)前記基板を約395℃に加熱し、当該温度を安定させる工程と、
(d)前記基板の温度を約395℃に維持しつつ、前記核生成層を、2から8パルスのジボランにさらす工程であって、前記パルス間はパルス動作がない工程と、
(e)前記基板の温度を約395℃に維持する工程と、
(f)前記核生成層をタングステン含有前駆物質にさらす工程と、
(g)前記タングステン核生成層上にタングステンバルク層を堆積させて前記タングステン膜を形成する工程と、
を備え、
前記ジボランは、約100から500sccmの流量、約0.5から5秒のパルス時間、および、約2から5秒のインターバル時間を有する、
方法。 A method of forming a tungsten film on a substrate in a reaction chamber,
(A) placing the substrate in a reaction chamber;
(B) depositing a tungsten nucleation layer on the substrate by a pulse nucleation layer process;
(C) heating the substrate to about 395 ° C. to stabilize the temperature;
(D) exposing the nucleation layer to 2 to 8 pulses of diborane while maintaining the substrate temperature at about 395 ° C., wherein there is no pulse action between the pulses;
(E) maintaining the temperature of the substrate at about 395 ° C .;
(F) exposing the nucleation layer to a tungsten-containing precursor;
(G) depositing a tungsten bulk layer on the tungsten nucleation layer to form the tungsten film;
With
The diborane has a flow rate of about 100 to 500 sccm, a pulse time of about 0.5 to 5 seconds, and an interval time of about 2 to 5 seconds.
Method.
a)マルチステーション基板堆積チャンバと、
b)前記マルチステーション堆積チャンバにおける動作を制御するコントローラと、
を備え、
前記マルチステーション基板堆積チャンバは、
i)基板サポート、および、前記基板をガスのパルスにさらすための1つ以上のガス入口、を有するタングステン核生成層堆積ステーションと、
ii)基板サポート、および、前記基板をガスのパルスにさらすための1つ以上のガス入口、を有する還元剤暴露ステーションと、
iii)基板サポート、および、前記基板をガスにさらすための1つ以上のガス入口、を有するタングステンバルク層堆積ステーションと、
を有し、
前記コントローラが制御する前記動作は、
i)前記タングステン核生成層堆積ステーション内で複数の還元剤パルス/パージガスパルス/タングステン含有前駆物質パルスサイクルを発生させることにより、前記基板の表面にタングステン核生成層を形成することと、
ii)前記還元剤暴露ステーションにおいて、複数の還元剤パルスを、前記パルス間のパルス動作なしに発生させることと、
iii)前記タングステンバルク層堆積ステーションにタングステン含有前駆物質、および、還元剤を放つことと、
を含む、装置。 An apparatus for depositing a tungsten film on a substrate,
a) a multi-station substrate deposition chamber;
b) a controller for controlling operation in the multi-station deposition chamber;
With
The multi-station substrate deposition chamber comprises:
i) a tungsten nucleation layer deposition station having a substrate support and one or more gas inlets for exposing the substrate to a pulse of gas;
ii) a reducing agent exposure station having a substrate support and one or more gas inlets for exposing the substrate to a pulse of gas;
iii) a tungsten bulk layer deposition station having a substrate support and one or more gas inlets for exposing the substrate to a gas;
Have
The operation controlled by the controller is:
i) forming a tungsten nucleation layer on the surface of the substrate by generating a plurality of reducing agent pulses / purge gas pulses / tungsten-containing precursor pulse cycles in the tungsten nucleation layer deposition station;
ii) generating a plurality of reducing agent pulses at the reducing agent exposure station without pulsing between the pulses;
iii) releasing a tungsten-containing precursor and a reducing agent to the tungsten bulk layer deposition station;
Including the device.
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